컴퓨터 팬에 대해서 알아보기

데스크톱을 사용하면서 없어서는 안될 팬

그리고 컴퓨터내부에 있는 부품중 가장 신뢰성이 낮다고 하는 ;;  팬...

근데 제대로 알고 계시나요

이제 기초부터 팬에 대해서 조금 알아봅시다

별것 아닌 내용이지만 한번 누르고 볼까요 ^^

1. 명칭

명칭을 모르시는 분이 너무 많더라구요

잠시 이 허접한 그림을 보도록 하죠

노란색으로 표시된 부분이 바로 팬 허브(HUB)입니다. 바퀴등의 회전체의 중심을 뜻하죠

그리고 빨간색 으로 표시된 부분이 팬 블레이드 또는 날개 혹은 임펠러(Impeller) 입니다

그리고 초록색으로 표시된 부분 전부가 팬 프레임입니다

2. 베어링

이건 대부분 다 아실 듯 한데

제일 중요한 몇개만 짚어 보겠습니다

1) 슬리브 베어링

먼저 슬리브 베어링입니다

슬리브 베어링은 좌측 그림상에서 고정되어 있는 외륜 즉 슬리브가 가운데 회전축을 지탱합니다

물론 사이에는 완전 액체도 아니고 구리스도 아닌 묽은 구리스 수준의 윤활유가 들어있구요

슬리브의 재질, 가공법, 사용 윤활유, 동작 RPM에 따라 수명이 결정되는데요 수명 차이가 정말 크게 납니다

25℃ 기준으로 1,000시간도 안되는것;;; 부터 30K시간 정도인데요

근데 얘는 회전축이 중심을 못잡고(윤활유밖에 없으니까요;;) 흔들려서 슬리브와 축이 만나 슥슥 소리가 난다는 점...

그리고 온도가 올라갈 수 록 수명이 기하급수적으로 하락합니다

고온(45℃ 이상)에서의 내구성이 너무나도 떨어지기 때문에 CPU쿨러 배기용쿨러로는 좋지 않습니다

슬리브와 축사이에 먼지나 이물질도 많이 들어가고 윤활유도 증발하는데요

이 현상을 해결하기 위해 제조사에서는 사출로 마무리 한다던지 여러 방법을 고려 하지만... 슬리브베어링은 슬리브베어링입니다;;;

슬리브에 나선형의 홈을 넣어 만든 라이플 베어링도 25℃에서는 볼베어링 보다 살짝 떨어지는 수명을 가지지만 고온에서는 역시 윤활유 증발 등의 문제가 있죠

팬이 덜덜거리면서 돌때 윤활유를 추가해주면 다시 정상적으로 동작합니다

다만 사출로 마무리한 슬리브베어링은 답이없죠;;

2) 볼베어링

볼베어링입니다. 그림에 케이지가 빠졌습니다.

볼 사이에 볼의 간격을 정하는 케이지가 있습니다 외륜, 내륜, 케이지, 볼의 구성입니다

2Ball 베어링과 1Ball 베어링으로 나뉘는데 일반적으로는 2Ball 베어링을 말합니다

1볼베어링은 팬이 얇아서 안들어갈때 외에는 잘 안씁니다

볼베어링은 일단 금속이고 쇠공이 위 슬리브 베어링에서의 윤활유 역할을 하기 때문에 고온(50℃)에서도 60K시간을 동작합니다

사실 이론상 완벽한 볼베어링 자체는 25℃기준 200K시간까지도 작동하지만 실제로는 쇠공이 완전한 원형이 아니고 이로 인한 진동으로 그 정도 까지는 나오지 않고 25℃ 기준 95K시간 정도 작동합니다. 델타에서 만드는 델타팬은 10000RPM짜리팬도 40℃에서 70K시간의 수명이라고 하죠.

윤활제를 쓰긴하지만 오일처럼 증발이 쉬운 액체가 아니라 구리스를 씁니다

그리고 구형태를 깎는 기술력이 완벽에 가까워질 수 록 수명도 늘어납니다...

단점은 떨어뜨리면 안된다는 겁니다.- 충격에 약합니다

3) FDB(Fluid Dynamic Bearing)

이건 슬리브의 변종으로 볼 수 있지만 조금 다릅니다 위의 사진은 소니 FDB 베어링이지만

FDB베어링은 종류가 많습니다

소니 FDB로 팬을 만들어 인기가 있었던 ADDA의 자료를 가지고 왔는데요(너무 오래된 자료니 FDB원리만 참고하세요. 2Ball 베어링 수명기준이 1989년 ;;;;)

점성이 매우 낮은 물과 같은  윤활유를 사용합니다

이처럼 금속 슬리브 안에 V자의 그루브가 있으며

이로인해 축이 회전함에 따라 윤활유가 한쪽으로 몰리지 않고

샤프트와 슬리브 사이에 홈을 따라 이동하며 고루고루 들어가 축이 중심을 유지합니다.

그리고 축의 회전속도가 올라가면 윤활유의 이동속도도 빨라지기 때문에 고RPM 회전을 할 수 록 축이 단단히 중심을 잡습니다

(이 말은 FDB는 낮은 RPM 팬에서는 그리 효과가 좋지 않다는 말도 됩니다)

거기에 완전차폐를 하여 이물질의 유입을 막고 윤활유의 증발을 막기 때문에

25℃ 기준 150K시간이라는 높은 수명을 가집니다. 그리고 ADDA의 FDB팬은 40℃기준 60k시간의 수명을 가지죠(25℃에서의 결과는 마케팅적인 측면이 강하므로 메이저 팬 제조사는 40℃에서의 결과를 우선 표기합니다.)

미세가공등의 이유로  대량생산이 쉽지 않고 생산비용이 볼베어링보다 비싸 예전에는 하드 등에만 사용되었으나 현재는 생산비용은 볼베어링과 비슷하다고 합니다

특징으로 축과 베어링이 닿는 부분이 오일 밖에 없으므로 베어링 소음이 적고 진동도 적습니다.

하드에서는 대부분 FDB베어링을 사용중인데

이유는 진동이 적기 때문입니다.

볼베어링은 아까 말했듯이 완벽한 구형이 아니고 안에 케이지와도 맞닿기 때문에 고유한 진동이 있습니다

근데 이 작은 진동이 하드의 진동과 정말 혹시나 일치해버리게 되면 제법 큰 공진이 생기고 공진은 하드 수명에 좋지 않기 때문이죠

3. 팬의 생김새에 따른 차이점

위의 내용은 대부분 다 아는 내용이 잖아요

조금 더 자세하게 알아보죠

※ 지금부터 말하는 소음은 따로 표기 하지 않을 시 바람소리입니다

1) 팬 프레임 두께에 의한 차이

뭐 이런팬 보신적 있으신가요?

프레임 두께가 38mm 인...

아마 보통분들이라면 안나와에 있는 델타와 니덱팬을 보셨을 테고

서버나 웍스 자주 만지시는 분들은 꼭 120mm 아니라도 이만큼 두꺼운거 (혹은 두꺼운거 2개 겹쳐진거 ;;) 많이 보셨을 겁니다

한번 소음을 들어 보신분은 두께만 봐도 소음이 끝장 나는 팬일거라고 생각하시지만

뒤에서 더 알아 보겠지만 실제로는 꼭 그렇지만은 않습니다

2) 날개 피치각도에 따른 차이

이건 별것 아닌것 같지만 상당히 중요합니다

날개의 각도를 낮추면 풍압과 소음이 적어지고 날개의 면적이 커지기 때문에 풍량이 높아집니다.

날개의 각도를 높이면 소음과 풍압이 높아지고 일정이상 높일시 풍량이 적어질 수 있습니다.

하지만 각도를 너무 낮추면 공기를 밀어내지 못하고

각도를 너무 높이면 공기를 밀어내는 면적이 오히려 적어져 바람을 옆으로 흩뿌리게 됩니다. 바람의 직진성이 떨어지게 되고 바람이 퍼지게 되는데 퍼지는 걸 방지하기 위해 바람이 나가는 쪽 프레임에 날개 반대방향으로 가이드를 답니다

<- 이렇게 말이죠

이렇게 가이드를 달아주면 바람이 퍼지는걸 잡아주므로 직진성을 확보할 수 있습니다만

바람을 가르는 물체가 증가하게 되는 꼴이니 소음이 증가하게 됩니다

애초에 소음을 신경 쓰는 곳이라면 이런 팬은 쓰지 않겠죠

피치각이 높아질 수 록 풍량과 풍압도 비례해서 높아지지만 피치각이 약 35°이상일 때부터는 양력을 발생시키지 못해 오히려 바람을 흩뿌리게 되고 풍압이 낮아집니다(풍량은 약 35° 이상에도 비례해서 조금씩은 상승 하지만 상승비율이 급격히 감소합니다.)

3) 날개 갯수에 따른 차이

위 사진을 보세요 정면에서 봤을때 얼추 봐도 오른쪽 빨간색 팬의 날개 9개의 면적을 합친것 보다

왼쪽 파란색팬의 7개 날개의 면적이 더 커보이지 않나요?

날개 갯수에 따른 차이라는 건 사실 블레이드의 피치각과 면적에 따른 차이라고 봐도 무방한데요

팬의 날개가 많아질 수 록 자연스레 블레이드의 각도는 높아집니다.

바람을 밀어내려면 어느 정도의 면적이 필요한데 같은 날개 갯수에서 각도를 너무 올려버리면 면적이 너무 적어지죠. 피치각이 높아질 수 록 풍량과 풍압도 비례해서 높아지지만 피치각이 약 35°이상일 때부터는 양력을 발생시키지 못해 오히려 바람을 흩뿌리게 되고 풍압이 낮아집니다(풍량은 약 35° 이상에도 비례해서 상승 하지만 상승비율이 급격히 감소합니다.) 이래서 날개 갯수를 늘리게 되는 거죠. 대신 바람을 가르는 물체(블레이드)가 증가하는 꼴이니 소음은 더 증가하게 됩니다

그래서 적당한 각도에서 적당한 풍압을 얻기 위해 프레임두께를 늘려버리는 겁니다.

그러므로 이렇게 이해하시고 계시면 되겠습니다.

날개가 많다 : 상대적으로 풍압이 높고 풍량이 적다 소음은 높다.

날개가 적다 : 상대적으로 풍량이 많고 풍압은 낮다. 소음은 낮다.

보통 고풍압팬을 히트싱크용으로 사용하고 고풍량팬을 케이스팬으로 사용합니다. 다만 요즘 많이들 하시는 쌍팬 구성이라는 것을 하실때는 조금 달라지는데요. 풍압이 높은 팬은 쌍팬구성시에는 소음대비 쿨링 효율이 그렇게 좋지 않습니다. 촘촘한(Fin Per Inch가 높은) 히트싱크나 라디에이터에 풍압이 높은 팬을 쓰는 이유는 풍압이 낮으면 공기가 핀을 통과하지 못하고 튕겨져 나오기 때문인데요. 쌍팬구성을 하게 되면 뒤에 있는 팬이 공기를 당겨주므로 히트싱크 안의 공기 압력이 낮아져 낮은 풍압으로도 히트싱크를 통과할 수 있기 때문입니다.

4) 팬의 허브에 사이즈에 따른 차이

위의 두 팬을 보세요 같은 회사에서 만들었고 같은 사이즈의 120x120x25의 팬입니다

근데 가운데 허브를 보세요 오른쪽 팬 허브가 무지막지하게 크죠?

대체 왜 저렇게 만든 걸까요

뭐 이런거 할 필요도 없이 오른쪽 팬의 허브와 프레임 사이 간격이 훨씬 좁아보이죠?

그러니까 공기는 프레임과 허브 사이의 공간으로 이동해야 하는데 오른쪽 팬은 공간이 왼쪽보다 적다는 거죠

욕조 배수구 생각하면 쉽겠네요

물이 좁은 구멍으로 빠지게 되면 물은 빨리 빠지지도 않으면서 괜히 압력만 높게 내려가죠

좁은 공간으로의 공기 이동은 주변 기압차를 크게 만들고 이것은 풍압의 증가로 이어집니다

다만 왼쪽 팬보다 풍량은 적겠죠

실제로 확인해 볼까요??

저 왼쪽 팬의 데이터시트에서 가지고 왔습니다. 원본은 여기서 확인할 수 있습니다. 빨간 네모쳐놓은 팬을 기준으로 하죠. 이걸 선택하는 이유는 비교할 팬과 가장 RPM이 비슷하기 때문입니다. 지금부터 모델명에서 따와 S팬이라 부르도록하죠.

이건 오른쪽 팬의 데이터시트입니다. 여기서 확인할 수 있습니다. 지금부터 모델명에서 따와 G팬이라 부르죠.

먼저 빨간 네모쳐져있는 곳에서 풍량부터 비교해보죠. S팬이 G팬보다 RPM이 50 낮은데도 풍량이 거의 같죠?(S팬이 저소음용으로 설계된것도 조금 고려하신다면 풍량은 더 많을겁니다.)

그리고 파란 네모부분에서 풍압을 비교해보면 G팬이 S팬보다. RPM이 50 낮은데도 풍압이 더 세죠?( S팬이 저소음으로 설계된걸 감안하면 별로 차이가 안나겠지만 풍압차이는 RPM이 올라갈 수 록 크게납니다.)

하지만 프레임과 허브사이의 공간을 너무 좁게 해버리면 공기를 밀어내는 날개 면적이 너무 적어지게 되어 풍압도 정달아 작아지는 현상이 생깁니다

이해하셨나요 꼭 그런 것은 아니지만 풍량은 날개의 면적에 영향 가장 많이 받고 풍압은 날개의 각도에 가장 영향을 많이 받으며 소음은 저 두개(특히 풍압)모두에 영향을 받습니다. 그런데 이게 유기적으로 연결되어있어 제법 까다롭지 않나요?

이것 보다 더 많은 모든걸 고려해서 팬제조사는 용도에 맞는 팬을 생산합니다

그래서 팬 전문 제조사는 팬 종류만 해도 수백가지 되는 거죠

그러니까 구매자 입장에서 팬에 대해서 조금 알면 수백가지 팬중에 용도에 맞게 팬을 고르는게 쉬워집니다